Merevolusi Kursi Kendaraan dengan Teknologi Pewindingan Filamen 3D

Keberlanjutan dan tanggung jawab lingkungan semakin menjadi penggerak tren teknologi di industri otomotif. Kendaraan dengan energi rendah dan emisi rendah telah menjadi prioritas untuk sektor otomotif internasional, dan tren menuju teknologi transportasi alternatif seperti elektromobilitas dan mobilitas udara perkotaan (UAM) semakin mendapatkan momentum. OEM mencari bahan dan proses muncul sebagai penguat untuk mode perjalanan prospektif ini, tetapi perubahan di sektor otomotif seringkali lambat. Untuk bahan dan proses baru untuk diadopsi sepennya, mereka tidak hanya harus memenuhi syarat, mereka harus biaya efisien dan mereka harus memungkinkan produksi volume tinggi.

Kursi ultra-ringan. Konsep kursi Ultra Leichtbausitz (ULBS) dikembangkan melalui kolaborasi antara beberapa perusahaan menggunakan kombinasi teknologi. Sumber | csi entwicklungstechnik

Baru-baru ini, proyek inovatif dengan potensi untuk sektor otomotif — serta pasar muncul seperti hypercar dan air-taxi — telah menunjukkan bagaimana bahan, proses dan teknologi baru, serta kolaborasi erat antara perusahaan, mungkin memungkinkan mode transportasi generasi depan. Tujuan proyek adalah untuk memikir ulang kursi mobil secara menyeluruh menggunakan teknologi generatif canggih, dan untuk melakukan ini hanya menggunakan sebanyak bahan yang diperlukan di tempat yang tepat — dan untuk menghasilkan hasil dengan cepat. Prototipe kursi kendaraan hybrid logam-komposit ultra-ringan yang dihasilkan dikembangkan, dari desain hingga manufaktur, dalam waktu tujuh bulan, melalui pendekatan desain yang didorong simulasi, metode manajemen proyek yang cepat, dan kerjasama erat serta integrasi sistem antara perusahaan yang terlibat.

Membangun kursi yang lebih baik

Studi kelayakan kursi ultra-ringan Ultraleichtbausitz (ULBS) dikembangkan melalui kolaborasi antara beberapa perusahaan menggunakan kombinasi teknologi. Visi proyek, dalam kata kelompok, "untuk menciptakan konsep kursi ultra-ringan, unggul di pasar dalam hal optimasi bobot." Perusahaan pendiri csi entwicklungstechnik GmbH (csi, Neckarsulm, Jerman), Alba Tooling & Engineering (Forstau, Austria) dan Automotive Management Consulting (AMC, Penzberg, Jerman) mengembangkan konsep kursi prototipe dalam kolaborasi dengan Covestro (Leverkusen, Jerman), LBK Fertigung (Friedberg, Jerman), Robert Hofmann (Lichtenfels, Jerman) dan 3D|CORE (Herford, Jerman).

Proyek kolaboratif menghasilkan prototipe kursi dengan bobot sedikit lebih dari 10 kilogram, yang mencakup bantal, bingkai struktural, sisip fungsional dan konsol kursi yang memungkinkan pemasangan pada kendaraan. Kursi 20% lebih ringan dibandingkan kursi ringan yang sebanding di pasar, banyak di antaranya adalah kursi pasca jual. Menurut pemimpin proyek ULBS Stefan Herrmann, yang bertanggung jawab untuk desain ringan di CSI, saat ini tidak ada kursi kompetitif di pasar yang beratnya kurang dari 12 kilogram.

"Namun, perbandingan langsung seringkali tidak dapat dibandingkan, karena kursi pasca jual sering tidak mencakup konsol kursi dalam definisi bobot," kata Herrmann, "Juga kenyamanan duduk ULBS jauh lebih tinggi dibandingkan kursi dengan bobot yang sebanding. Kursi yang ada seringkali adalah kursi ember, yang bahkan lebih ringan tetapi tidak nyaman, atau kursi supersport tradisional, yang memiliki bobot jauh lebih tinggi."

ULBS menampilkan beberapa teknologi inovatif, di antaranya struktur kangga serat roving yang didasarkan pada teknologi proses xFK dalam 3D memerankan peran paling menonjol. (Lihat "Filament winding, reinvented" untuk lebih lanjut tentang xFK dalam 3D dan teknologi winding filamen lainnya.) Pentingnya fundamental teknologi penghargaan untuk penempatan serat roving tanpa akhir terletak pada kebebasan desainnya, penempatan serat yang dioptimalkan bahan dan diarahkan beban dalam arah beban serta aplikasi bahan serat yang sederhana, biaya efisien dan tanpa limbah. Untuk transfer beban dalam struktur kerangka ini, bagian cetak 3D telah digunakan. Di area dengan beban tertinggi, seperti fitting sandaran punggung, kursi menggunakan struktur cetak 3D dari stainless steel dengan kekuatan tinggi dan modulus tinggi. Di area yang beban lebih rendah, cetak 3D aluminium digunakan.

csi entwicklungstechnik, perusahaan teknik yang mengkhususkan diri dalam struktur tubuh putih kendaraan (BIW) serta interior dan eksterior otomotif dengan area bisnis termasuk polimer terjamin serat karbon (CFRP) dan manufaktur aditif, mengawasi dan mengkoordinasikan proyek berdasarkan ide yang dimulai oleh AMC. csi menyediakan styling, permukaan, konsep, rekayasa desain, manajemen proyek untuk proyek ini.

Herrmann menjelaskan: "csi bertanggung jawab untuk paket pekerjaan dalam domain rantai proses digital — styling, rekayasa desain, desain permukaan, simulasi CAE, simulasi topologi, simulasi validasi dan konfirmasi virtual proyek."

Dia menekankan bahwa yang membuat proyek ULBS layak diperhatikan bukan hanya penggunaan bahan dan metode manufaktur inovatif, tetapi pengembangan bagian kompleks yang mencakup desain komponen baru dalam waktu tujuh bulan yang singkat menggunakan kolaborasi erat antara mitra.

Bingkai kursi wound filamen. Sebagian besar pengurangan bobot dalam proyek ULBS berasal dari teknologi proses winding filamen xFK dalam 3D milik AMC. Sumber | csi entwicklungstechnik

Mewinding bingkai

Sebagian besar pengurangan bobot dalam proyek ULBS berasal dari xFK dalam 3D milik AMC, teknologi komposit serat yang sangat fleksibel, dapat dikonfigurasi, biaya efisien dan berkelanjutan untuk winding komponen.

xFK dalam 3D sudah digunakan untuk berbagai produk dan aplikasi untuk berbagai industri dan segmen pasar. SGL Group Wiesbaden, Jerman) menampilkan beberapa bagian otomotif dan sepeda yang diproduksi melalui teknologi ini di pameran komposit internasional JEC World 2018. Salah satu bagian yang ditampilkan, rantai gigi sepeda serat karbon yang dikembangkan oleh AMC, dikatakan mengurangi bobot hingga 70% dibandingkan versi aluminium.

Mewinding busha. Roving serat yang diimpregnasi resin termoset wound di sekitar fixture penempatan, memungkinkan serat diatur untuk cocok dengan beban dan fungsi yang diinginkan setiap bagian. Sumber | csi entwicklungstechnik

Proses xFK dalam 3D winding struktur yang mendukung beban tanpa limbah menggunakan serat berkelanjutan yang diimpregnasi resin termoset. Roving serat yang terkena epoksi resin wound di sekitar fixture penempatan, atau busha winding, memungkinkan serat diatur secara spesifik untuk cocok dengan beban dan fungsi yang diinginkan setiap bagian.

"Salah satu manfaat utama xFK dalam 3D adalah eliminasi titik lemah mengenai transfer beban dan pemasukan beban dalam struktur," ujar Herrmann. Dia menjelaskan bahwa titik lemah seringkali tidak ada dalam kontinuitas struktur, tetapi di area di mana beban dimasukkan ke dalam struktur, terutama di mana komponen tetangga terhubung ke struktur. Teknologi xFK dalam 3D memungkinkan transfer beban di seluruh koneksi dan memungkinkan serat diratakan sesuai dengan fungsi komponen yang diinginkan dan kasus beban, dan diproduksi dalam tiga dimensi.

Proses winding filamen menghasilkan manfaat tambahan juga. Proses membantu meminimalkan limbah bahan — kurang dari 1% roving serat yang terbuang.

csi mengakui kekuatan xFK dalam 3D dan merancang bingkai kursi ULBS untuk dibangun di bawah konsultasi Dr. Clause Georg Bayreuther, kepala teknologi AMC.

"Bekerja dengan insinyur csi, konsultan AMC dan ahli tooling Alba mengembangkan konsep dan struktur ini untuk bingkai kursi untuk diproduksi menggunakan proses xFK dalam 3D," ujar Peter Fassbaender, konsultan teknologi dan pemicu teknologi xFK dalam 3D.

Alba memproduksi tooling untuk bingkai kursi CFRP dan menyediakan dukungan rekayasa. Juga, meskipun bingkai kursi wound dari serat karbon, serat alami atau serat basalt juga adalah kandidat yang baik.

Teknologi baru. Prototipe ULBS menggunakan kombinasi teknologi baru termasuk cakungan panel belakang yang terbuat dari material inti penguatan intralaminar (IRC), dan bantal sandaran punggung cetak 3D yang terbuat dari polyuretan termoplastik (TPU). Sumber | csi entwicklungstechnik

Struktur material hibrida

Selain bingkai, prototipe ULBS mencakup beberapa inovasi baru lainnya. Alba, yang menyediakan tooling, juga menyediakan tooling, rekayasa dan manufaktur untuk badan busa kursi dan melakukan pemasangan kursi. Mat serat fleksibel menutupi bingkai CFRP kursi yang kemudian dilapisi oleh tutup busa PUR cetak 3D. Area bantal kursi terbuat dari busa tradisional.

Pengurangan bobot lebih lanjut dicapai melalui penggunaan 3D|CORE, material inti penguatan intralaminar (IRC), dalam struktur cakungan panel belakang sandaran punggung kursi. Material ini adalah material inti penguatan intralaminar (IRC) — inti sandwish struktural yang terdiri dari badan inti busa polistirena ekstrusi (XPS) dan polietilen tereftalat (PET) dalam pola saringan lebah terintegrasi. Selama produksi bagian komposit, struktur saringan lebah diisi dengan resin, menghasilkan kekuatan intralaminar tinggi. 3D|Core dirangkaikan di antara dua lapis serat kaca untuk membuat preform, yang kemudian diinfusi dengan resin epoksi termoplastik menggunakan molding transfer resin assisted vacuum (VA-RTM).

Covestro menyediakan perekat Dispercoll sebagai pengikat untuk mat serat fleksibel, serta bantal sandaran punggung cetak 3D. Menurut Herrmann, properti mekanis Dispercoll memberikan resistensi gosokan yang baik, yang penting karena kontak permukaan antara bantal dan bingkai dapat memberatkan fleksibel dengan waktu.

"Jika Anda memiliki satu roving serat, saat Anda menempatkannya dalam tekstil, Anda akan mendapatkan gerakan mikro antara bagian CFRP yang keras dan mat fleksibel. Komponen bingkai kursi dapat menggosok tekstil dan menghancurkannya," menjelaskan Herrmann.

Kursi tradisional biasanya memiliki area permukaan yang lebih besar yang mendukung bantal, dan tidak memiliki masalah ini. Namun dengan xFK dalam 3D, ada area kontak permukaan yang lebih kecil karena struktur bingkai.

"Saat struktur xFK dalam 3D mendorong kain fleksibel, Anda harus memiliki pengikat yang spesifik dan tahan lama; inilah yang disediakan Dispercoll dalam konteks ini," tambah Herrmann.

Covestro juga menyediakan apa yang dikatakan sebagai bantal cetak 3D pertama di dunia. Meskipun busa tradisional dan intensif tooling biasanya digunakan dalam sandaran punggung kursi, penggunaan bantal sandaran punggung cetak 3D, yang terbuat dari TPU (polyuretan termoplastik), meningkatkan fleksibilitas dan adaptabilitas kursi ULBS terkait estetika, opsi integrasi fungsional dan kenyamanan.

Kursi untuk masa depan

Proyek ULBS mencapai beberapa tujuan. Konsep yang dihasilkan, meskipun belum ada di pasar, memiliki potensi untuk melayani banyak pasar niche seperti hypercar, air-taxi, kendaraan ultra-ringan, mikromobilitas, helikopter, multi-copter dan penerbangan. Meskipun tentu lebih mahal dari kursi produksi mobil, ULBS menunjukkan beberapa teknologi yang meminimalkan limbah, sehingga menurunkan biaya bahan. Dibandingkan dengan teknologi serat karbon lainnya, xFK dalam 3D menghasilkan jumlah limbah yang sangat rendah. Faktanya, seluruh proyek bertujuan untuk menggunakan sumber daya minimal dan hanya minimum bahan yang diperlukan. ULBS juga menawarkan kemungkinan untuk menggunakan sumber daya terbarukan dan berkelanjutan seperti serat alami dalam struktur bingkai, bantal dan tekstil.

Tapi yang lebih penting, proyek menunjukkan bagaimana perusahaan dapat meminimalkan waktu ke pasar dengan bekerja bersama melalui prosedur koordinasi yang cepat dan fleksibel. Ini juga merupakan contoh yang baik tentang penggunaan desain berpikir untuk berhasil membawa produk dari ide hingga prototipe perangkat keras dengan fokus pada persyaratan fungsional dan melihat ke depan menuju aplikasi masa depan dan tujuan berkelanjutan.